CSTR先进控制系统

带搅拌釜式反应器先进控制系统*

1 CSTR 工艺流程

所选被控对象为过程工业常见的带搅拌釜式反应器（CSTR ）系统，属于连续反应过程。反应过程为反应物A 与反应物B 在催化剂C 的作用下发生反应，生成产物D 。反应初期用热水诱发，当反应开始后由冷却水通过蛇管与夹套进行冷却。其工艺流程图如图1所示。

图1中反应过程主要有三股连续进料。第一股是反应物A ，F4为进料流量，V4是进料阀；第二股是反应物B ，F5为进料流量，V5是进料阀；第三股是催化剂液，F6为催化剂进料流量、V6是催化剂进料阀。

反应器内主产物D 重量百分比浓度在图中指示为A ，反应温度为T1，液位为L4。反应器出口浆液流量为F9，

由出口阀V9控制其流量。出口泵及出口泵开关为S5。反应器出口为混合液，由产物D 与未反应的A 、B 以及催化剂C 组成。

反应器设置两类冷却装置。第一类为夹套冷却，冷却水入口流量为F8，由阀V8控制流量。第二类为蛇管冷却，冷却水入口流量为F7，由阀V7控制流量。此外，在反应初期，需要由反应器夹套加热热水来触发反应。该热水由开关阀S6引入。反应器搅拌电机开关为S8。

其中主要的工艺条件为：

1) 反应器共有三股连续进料，需要保证三股物料以一定比例进料（A:B:C=1:2.11:0.12）。 2) 控制液位处于85％，以获得较大的反应停留时间，保证反应充分进行。 3) 通过调剂冷却水阀的开度使升温速率保持在0.1℃/sec左右。 4) 系统稳定后的反应温度为70±1.0℃。

反应器耐压约2.5Mpa ，为了安全，要求反应器在系统开、停车全过程中压力不超过1.5 Mpa ，反应器压力报警上限组态值为1.2 MPa 。

2 CSTR 系统控制策略

2.1 进料流量控制方案

根据三股物料的特性不同以及工艺的要求，我们分别采用了不同的比值控制方式。对于物料A 和B 构成了串级变比值控制系统，而催化剂C 和物料B 构成了简单的双闭环的定比值控制系统。具体的控制系统图如图3所示[3][4]：

生产上维持流量比恒定往往不是控制的最终目的，仅仅是

*

图1 CSTR 系统工艺流程图 P7

压力控制器

B 流量控制器

控制阀B 流量对象

压力对象

B 流量测量变送

＋

－

K1

A 流量控制器

控制阀A 流量对象

A 流量测量变送＋

－

K2

C 流量控制器

控制阀C 流量对象

C 流量测量变送

＋

－

压力测量变送

＋

－

F5

F6

F5sp

F4

P7sp

图3 变比值控制系统框图

保证产品质量的一种手段。稳定化学反应器操作的关键条件是反应温度和反应压力，反应压力改变实质上是温度变化的前奏，而压力的变化及其测量都要比温度来得快，进料流量负荷的变化主要体现在反应压力的变化，因此利用反应器的压力作为主回路，反应物A 进料流量作为副回路构成串级控制回路，来及时调整由于负荷变化所造成的压力变化。

而催化剂C 的流量变化对反应过程的温度和压力影响较小，我们采用简单的双闭环定比值控制就可以达到克服进料流量扰动的要求。 2.2 反应釜料位控制方案

该系统的被控变量为反应

器料位L4，用反应物料混合液出口流量F9作为操作变量，构成如图4的反应器料位串级控

制系统。采用串级形式不仅仅为了提高主参数液位的控制质

量，流量副回路得引入同时还

克服控制阀前后压力的波动以及自衡作用对流量的影响，使流量变化平缓。这样既能迅速克服一些

影响流量的扰动作用，同时又能使料位在其他扰动作用下保持设定值[3][4]

。 2.3 反应温度及升温速率控制方案

温度控制阶段可分为3个阶段：预热阶段、过渡阶段以及恒温控制阶段。在预热阶段的控制方法比较简单，打开热水加热阀S6对反应进行诱发。在温度达到40℃的时候，关闭S6。而在过渡阶段和恒温控制阶段采用模糊-PID 复合控制结构来控制反应温度，初期（45℃～70℃±1℃）为升温速率控制，采用模糊分程控制方案来控制夹套冷水阀V8及蛇管冷水阀V7，目的就是要在适当的时间内，控制冷却水阀的开度，使温度、压力按照较理想的速率上升，上升太慢影响产量，太快则可能使后期反应过于激烈，难以控制。当温度达到

70℃左右时，自动切换温度的稳态控制系统，后期采用具有压力补偿的PID 控

制系统来维持反应温度的稳定。具体的

控制结构如图5所示。

控制信号 mA

100%

阀门开度

图6 分程控制图

图7 具有压力补偿的恒温度控制方框图

2）基于压力补偿[7]

的反应器恒温度控制方案

对于此类釜式反应器，由于容量大，热效应强，而传热效果不理想，因此，要克服这类反应器滞后特性，提高对反应温度的控制精度，采用一般的单回路控制难以满足工艺要求，根据压力与温度的变化的规律可知，压力变化超前于温度的变化，一般可采用温度与压力构成的串级控制系统。

而当对反应釜温度测量精度要求很高的时候，如本系统恒温时温度要求控制在70℃±1℃，此时可采用压力测量信号去补偿温度的测量，补偿后的控制质量可比一般的串级方案控制效果要好，具体的控制图如图7所示。

图4 料位串级控制系统框图

图5 模糊-PID 复合控制结构方框图

4.4 反应釜压力安全控制及联锁保护

为了保证反应釜内的反应安全，需将釜内

压力保持在一定的范围之内，一方面，在保证物料A 和物料B 的进料比不变的前提下，控制好

釜内反应温度即可将釜内压力值保持在一定的范围。另一方面，在温度不变的条件下，投

入反应物A 和反应物B 进料的变比值控制系统，通过压力控制器给出物料B 和物料A 比值的设

定值，从而调整反应物A 在釜内的含量，达到控制压力的目的。同时，应保证反应器在系统

开、停车过程中压力不超过1.5MPa ，根据此要

求设计釜内压力报警和联锁保护系统。当压力超过1.5MPa 时，此时需联锁停整个系统，具体描述如图8所示。

图8 压力联锁保护逻辑图